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自动控制的过去与现在

自动控制的过去与现在

点击数:7839 次   录入时间:03-04 12:03:00   整理:http://www.55dianzi.com   电工技术

在二十世纪三十年代,美国的哈佛医学院,有位教授若荪布鲁斯(Rosenblueth)每月召集一个谈话会。 地点是在万德柏厅(Vanderbilt Hall)大家在一个圆桌上聚餐,随后是聚谈。出席的人以医生为最多,可是并不限于医生。 饭后,由其中的一个人,或邀请一个人,讲一段心得。思想可以是半生不熟,体裁可以是未经裁剪,也许有时是过分自信, 也许有时是过分夸张,当然最谈不到的是谨严。

有些参加的人,不能忍受,来一回就不再来了。不过大多数的人,以为这个会很有价值。 因为参加的人并不是仅仅是医生或医学家,还有物理学家、生物学家。麻省理工学院距离很近, 那里的教授也来了好多人。 其中一个人是温纳(Nobert Wiener)。

这个由各个方面专门学问中走来的科学家们,是没有共同语言可谈的。但为什么越谈越有兴趣呢? 他们究竟谈些什么大家全能欣赏的题目呢?又有什么题目可以引出个人有价值的言论,可以提起团体的兴趣呢?

他们所根据的是每个人专门的学问。而所谈的,是使大家能领悟的,是根据个人的观点所了解的科学方法。

生物学家的术语,数学家不会理解,但生物学家所用的方法,数学家可能领悟;物理学家的语言,医生不会明了, 可是物理学家所用的方法,医生却有了然的可能。这个谈话会是三十六行,但话题却集中在科学方法上, 所以可以说是科学方法谈话会。

自从莱布尼兹(Leibniz)而后,世界上再没有统摄整个科学领域的通才。到了十九世纪,几位大的科学家,也只是称雄一面。 十九世纪没有出莱布尼兹,而只有出高斯(Gauss),法拉第(Faraday),达尔文(Darwin)这类大人物,我们把他们名为数学家、 物理学家、生物学家等。可是到了二十世纪,配称数学家的也不见了,对于一位专门的大家,在称呼时必加以限制, 如拓扑学的数学家;或光学的物理学家等。

这种过度的分工,是不得不然的,是越演越烈的。由一行分成三十六行,由三十六行分成三百六十行,由三百六十行, 分成三千六百行,二十世纪的科学家,不下三万六千行了。

这种局面的形成,产生了两个副作用,第一、是行与行间形成了许多无人管的地带,第二、甲行所研究出的程序、方法、 或设备,可能对乙行有极大的效用,但乙行常无从利用起,依然是从头开始。哈佛医学院的谈话会,正是在这种气候下产生的。 而就由这个会中产生了『自动控制』的基本观念。

第一道源泉-反馈的观念

有一位医生在这个谈话会中,作了这样的报告:有一种病人,坐在椅子上,与健康的人毫无差别。但你如果给他一支香烟, 他伸手接烟时,总对不准香烟的位置,不是左摇就是右偏,他的手变成摇来摇去的运动,而始终接不到香烟。

这位病人的肌肉是强壮的,身体是健康的。但是却不能有系统的组织他的动作。

点此在新窗口浏览图片这个现象很像一个舵手把舵时,把船身形成了左右摆动一样。人所以不能接一支香烟,是因为人的动作是受制于一种信号, 而这个信号的大小却为正在进行中的反应所左右。换句话说,一个原因产生一个相应的结果, 而这个结果又成为一个新的原因刺激到原来的系统上。把随时所产生的效果变成了原因的一部分。 如果把原因结果的相互关系图解出来,如右图:

谈话会的这个观念,形成以后,忽然大家觉得天朗气清起来。并不只是速度控制器操纵着火车的速度, 而火车的速度无时不在操纵着速度控制器的行为;并不只是人的神经在控制着手的位移方向, 而且位移方向随时左右着手的神经。某一原因施于一物体,产生一相应的结果,我们叫做直接程序, 结果的行为又成了原因的一部份,而重施于该物体上,我们叫做反喂程序。

这门学问的性质似乎与别的学问全不相同,它是一种分析上的观点,正因为是一种观点, 所以施用到各方面都可以产生出一个新天地来。

这时候,谈话会的人,不自然的而然的想到经济结构上可以利用,政治体制上可以利用,商业经营上可以利用。

比如福特(Ford)当年以独特的眼光,给工人加薪,那时,他曾辩论说,给工人加薪似乎是成本高,但工人又买汽车坐, 汽车销路就大了,汽车的销路一大,成本就减低了。他这套理论很像反喂的观念的利用。

温纳把这门学问铸了一个备用的字Cybernetics这个字是源于希腊,意思是舵手。安培曾把这个字当作政府管理学。 马克士威尔有一篇文章专说控速器,这个字Governor是源于拉丁。不论是希腊字,还是拉丁字。有人用在操纵的意义上, 有人用在舵向的意义上,有人用在管理的意义上,有人用在限制的意义上。于是这个意义贯穿了物理、数学、生物、 经济以及政治等。我们把这门学问模糊的译出意义来,是『自动控制学』(Automatic Control)。

第二道源泉-模拟的观念

战时的麻省理工学院,是一个研究中心。不但英国来了好多科学家,就是美国好多名大学的科学家也征召到这里。 麻省的剑桥成了一个大熔炉,关心的事务很多,但最重要的还是这些科学家的大集会。这时英国的受击一天比一天加厉, 高射炮火的研究一天比一天重要,而反喂观念,就在工程上、科学上的各部门在传染。

由雷达侦察飞机,到高射炮自动开火,是一个有反喂观念自动控制过程。可是这个系统所涉及的部门, 却不是单纯的一件东西,有机械、电机、流控、气控各种形式的信号的流动。如何研究这些信号,不是一个性质上的问题, 而是一个数量上的问题。于是模拟的观念加强起来。

重要的贡献者,有伽得诺(Gardner)、布朗(Brown)、堪布(Campbell),尼克斯(Nichiols)等。有的在建立电机与机械的模拟, 有的在建造化工、气体的仿真。

究竟什么是模拟的观念呢?

我们在讲力学时,总讲牛顿第二定律:所加于物体的力与物体所产生的加速度成比例。这个比例常数是该物的质量。 换句话说,如果加速度小,就表示质量大,如果加速大,就表示质量小。我们又把质量的这种特殊牲质叫做惰牲。

在讲电学时,我们又遇到一个定律叫做法拉第定律,所加于线圈的电压与线圈所产生的电流之变率成比例, 我们把这个比例常数叫电感。电感有时候我们称为线圈的惰性。

在学电学时,总是觉得这是一个很难理解的现象。于是我们就想,线圈对电压的阻挠,正相当于质量对力的阻挠一样。 于是就明白了。点此在新窗口浏览图片

再举一个例,一个RLC线圈如右图:

我们如列出它的微分方程式来,应是

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现在有一机械系统,我们如果列出它的微分方程式来应是

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一个是电系统,一个是机械系统,所用的定律全不相干,可是列出的式子却极相像。我们如想知道这个机械系统运动的情况, 可以由线路上面电流运动的情况而领悟出来。

我们把这个电的线路叫做这个机械系统的仿真,而这机械系统叫做该线路的模拟。一个电机工程师可以对机械全不在行, 但当他知道了质量相当于电感,摩擦相当于电阻,弹性相当于电容时,他立刻由线路上电流所应有的行为, 领悟到这个机械系统应有的速度的情况。

摸拟的观念是古已有之的。凡是不容易说通的地方,就可用摸拟的办法以助人明了。我国的孟子、庄子, 处处在用模拟的方法,圣经里有不知多少模拟的故事与成例。

可是在性质上的模拟,不易用于科学。但自从这种定量的仿真成功以后,效用就展开了。

所以一个包含各式各样复杂成份的机械,均可以用模拟的办法变成单纯的模型,理解起来,就方便多了。

伽得诺于是把电的组件与机械的组件,作了极详细的比拟。堪布把热力上的程序、化工上的程序、气控上的程序、 流控上的程序,均作了极详细深刻的电的模拟的研究。

看来渺不相关的东西,在模拟的观点下,是一样的。比如大至鱼雷,小至电流计,可以互相模拟,飞机的操作, 可以与潜艇的运行相模拟,至于在数量上的仿真,几乎所有物理系统均可以用电子管组成模型, 这方面发展的极致成了电子仿真计算器(Electronic Analogue Computer)。

第三道源泉-数字计算器

在战事正在进行中的一九四三年,费城的宾夕法尼亚大学有一个二十四岁的助教,叫做艾克特(Eckert), 另外还有一个顾问叫做毛士莱(Manchly),他们领导着十二位科学家,作了200,000工时,完成了世界第一架数字电子计算器。

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